Буслова Н.В. к.т.н. доц., Гайдук А.В. магистрант

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Использование импульсной рефлектометрии
для определения повреждений кабельных линий

Точному определению места повреждения в кабельных линиях электропередачи и связи, которое в основном производится трассовыми методами, должна предшествовать предварительная его локализация. Для этого в настоящее время разработан метод импульсной рефлектометрии.

Импульсная рефлектометрия – это область измерительной техники, которая основывается на получении информации об измеряемой линии по анализу её реакции на зондирующее (возмущающее) воздействие. Импульсная рефлектометрия может быть применена как для металлических кабелей всех типов, так и для волоконно-оптических кабелей связи. Метод импульсной рефлектометрии позволяет определить зону повреждения (в пределах погрешности измерения) и применить отдельные трассовые методы на небольших участках трассы, что позволяет существенно сократить время точного определения места дефекта.

Рассмотрим структурную схему импульсного рефлектометра (рис. 1).

Рисунок 1. Структурная схема импульсного рефлектометра.

Генератор зондирующих импульсов посылает в кабельную линию видеоимпульс. Приёмник отражённых сигналов через равные промежутки времени захватывает показания с линии и отображает их на устройстве отображения (экране) прибора. Таким образом, на экране импульсного рефлектометра строится график, на котором по вертикальной оси отображается амплитуда отражённого сигнала, а по горизонтальной оси – время. Строго говоря, импульсный рефлектометр измеряет именно временную задержку между входным воздействием и отражённым сигналом. Однако, зная скорость распространения электромагнитной волны в кабеле, можно трансформировать ось времени в ось расстояний, что и сделано во всех импульсных рефлектометрах.[1]

На рисунке 2 в качестве примера приведем график для условия обрыва всех жил кабеля АСБ 3х50

Рисунок 2. Условие обрыва всех жил кабеля АСБ 3х50 на экране рефлектометра.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии. Это соотношение:

Z₀ = (1)

имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением линии.

Волновое сопротивление Zo является одной из важнейших характеристик кабеля. Если кабель исправен и его волновое сопротивление не меняется, сигнал проходит по кабелю без отражений. Если имеет место обрыв, короткое замыкание или иная неоднородность, сигнал отражается полностью или частично, причем коэффициент отражения определяется следующим образом:

, (2)

где Z – волновое сопротивление в точке неоднородности.[2]

Для дальнейшего понимания процесса рассмотрим модель кабеля. Любую кабельную линию можно описать в терминах погонных величин: емкости C₀, индуктивности L₀, активного сопротивления r₀ и межпроводной проводимости g₀, как это показано на рис. 3. Таким образом, бесконечный кабель моделируется бесконечной цепью одинаковых малых кусочков единичной длины, имеющих указанные погонные характеристики.

Рисунок 3. Модель бесконечного кабеля.

В области высоких частот, наиболее интересной для импульсной рефлектометрии, формулу (2) можно упростить.[3] Так как в этой области r₀<<L₀ и g₀<<C₀, связь погонных характеристик и волнового сопротивления кабеля можно записать:

Импульсный рефлектометр обнаруживает и визуализирует наличие отражения от неоднородности волнового сопротивления, причем по характеру отражения можно судить о его природе. Так, локальное увеличение индуктивной составляющей приводит к росту волнового сопротивления в этой точке (3) и возникновению отклика положительной полярности (2), а увеличение емкостной составляющей приводит к уменьшению волнового сопротивления в точке отражения и, соответственно, к образованию отклика отрицательной полярности. [4]

Если выходное сопротивление импульсного рефлектометра отличается от волнового сопротивления измеряемой линии, то в месте подключения рефлектометра к линии возникают переотражения.

В рефлектометрах для определения мест повреждения линий применяются в основном два вида зондирующих импульсов:

- короткий видеоимпульс,

-перепад напряжения.
Короткий видеоимпульс представляет импульс напряжения малой длительности, которая выбирается много меньше (в 10...100 раз) времени распространения импульса по линии.

При зондировании линии короткими видеоимпульсами наблюдаются отражения от начала и конца распределенных неоднородностей, поэтому такое зондирование используется для поиска локальных повреждений и крупных сосредоточенных неоднородностей волнового сопротивления. Короткий зондирующий импульс обеспечивает высокую разрешающую способность, которая определяется его длительностью

Перепад напряжения - это зондирующий импульс такой длительности, которая больше, чем время распространения импульса по линии.

При зондировании линии таким широким импульсом (“перепадом”) наблюдается профиль изменения волнового сопротивления вдоль линии. Поэтому такое зондирование может использоваться не только для измерения расстояния и величины неоднородности, но и при наличии в линии следующих друг за другом нескольких протяженных неоднородностей можно определить волновое сопротивление или его плавное изменение вдоль линии.[5]

В любом рефлектометре перед измерением расстояния нужно установить коэффициент укорочения. Коэффициент укорочения показывает, во сколько раз скорость распространения импульса в линии меньше скорости распространения в воздухе. Точность измерения расстояния до места повреждения зависит от правильной установки коэффициента укорочения.

Величина коэффициента является нормированной только для радиочастотных кабелей. В остальных случаях коэффициент укорочения можно определить импульсным рефлектометром по кабелю известной длины.[6]

Выводы

1. Импульсные рефлектометры позволяют определить расстояние до места повреждения линии при любом характере повреждения (обрыв, короткое замыкание, утечка, продольное сопротивление и т.д.), при этом для измерения импульсным рефлектометром достаточно доступа к линии с одного конца.

2. Метод импульсной рефлектометрии позволяет достигнуть более высокой точности измерений расстояния до места повреждения по сравнению с другими методами: 1% для аналоговых импульсных рефлектометров и 0,2% для цифровых рефлектометров.

В настоящее время импульсная рефлектометрия применяется за рубежом, а также начинает использоваться и в практике кабельных измерений отдельных энергокомпаний Украины, например, ПАО «ДТЭК Крымэнерго».

Литература:

1. [http://www.reis205.narod.ru/metod.htm]

2. Груба Г.И., Иоффе А.А. «Силовые трансформаторы. Кабельные линии» Симферополь 2007 г., 192 с.

3. Зевеке И. А. «Теоретические основы электротехники»

4. Листвин А.В., Листвин В.Н. «Рефлектометрия оптических волокон»

5. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. – М.: Изд-во «ЭКО-Трендз”,1999,

195 с.

6. [http://www.ersted.ru/stati/tablitsa-koeffitsientov-ukorocheniya]